TiAl基合金定向凝固两相晶粒取向调控与竞争择优生长机制

Properties of TiAl based alloys depend sensitively on the evolution of the interfacial growth morphologies, grain orientation selection and competitive growth. In this project, the Bridgman directional solidification and three-dimensional phase-field modeling are applied to the grain orientation control and competitive growth of primary β phase and peritectic α phase in directional solidification of Ti-Al and Ti-Al-X (X=Cr, Nb) alloys. Based on the study of the leading phase selection and the anisotropic growth behaviors of the bcc-β and hcp-α phases, the dendritic growth of the two phases, such as tip shapes, sidebranching, and solute distribution, will be discussed. The intrinsic link between the crystal lattice and the anisotropy will be established to reveal the micro-mechanism of the anisotropy modulated by the crystal lattice and the history dependence of the grain orientation selection of the peritectic phase. The influence of growth modes, dimensionality and solidification conditions on dendritic spacing, sidebranching development, grain boundary evolution will be revealed. The interaction between the solute transfer and the dendritic competitive growth will be clarified to establish the critical condition criterion for the dendritic competition and elimination of two phases. This study will not only improve the understanding of the dendritic growth dynamics and peritectic reaction, but also provide theoretical supports for producing new TiAl based functional materials.

TiAl基合金铸件的综合性能与界面生长形态、晶粒取向选择和竞争择优生长等因素密切相关。本项目拟将Bridgman法定向凝固实验与三维相场模拟相结合，对二元Ti-Al合金与三元Ti-Al-X (X=Cr, Nb)合金定向凝固中初生β相与包晶α相晶粒取向调控与竞争择优生长机制开展系统深入的研究。在相选择规律与两相晶体生长各向异性研究的基础上，探究凝固条件对两相枝晶尖端生长、侧枝发展及溶质分布的影响规律；构建晶格结构与各向异性之间的内在联系，揭示晶格调控各向异性的微观机制与包晶取向选择遗传特性的内在机理；探明生长方式、生长维度、凝固条件等对枝晶间距、侧枝发展、晶界演化的作用规律，揭示溶质场空间分布演化与枝晶竞争生长的相互关系，建立TiAl基合金两相枝晶竞争择优生长临界条件判据。本项目的研究有望进一步丰富以枝晶生长和包晶反应为内涵的凝固理论，同时也为发展新型TiAl基合金材料提供理论依据。

TiAl基合金γ-α2板条全片层组织因同时具备良好的室温韧性和高温强度而受到研究者的广泛关注，控制片层组织的取向对提高TiAl基合金铸件的综合性能至关重要。因而，TiAl基合金定向凝固中初生β相与包晶α相晶粒取向调控与竞争择优生长机制的研究具有非常重要的意义。项目负责人以第一作者和通讯作者身份发表SCI索引论文7篇，其他论文1篇，并获得一项国家一级学会的科研奖励，研究小组其他成员发表论文2篇。本项目得到几个重要结果如下：.(1) 以抛物拟合为基础将合金热力学数据耦合入相场演化方程中，构建描述TiAl及TiAl基合金凝固的相场模型，并通过Wulff方法确定各向异性特性;.(2) 开发了相场模型的格子玻尔兹曼求解格式，并耦合了密度驱动流动作用，研究了流动对枝晶尖端生长动力学的影响规律，为今后的研究打下坚实的基础;.(3) 在大量研究结果的基础上，发现现有的枝晶生长方向选择模型DGP模型事实上只是其在胞枝转变速度附近的近似，高于转变速度，则必须考虑速度对其的影响，由此构建了更为普适的枝晶生长方向选择模型，此外，还发现柱状枝晶阵列的一次枝晶间距是错配角度的函数，具体函数关系可以用Gandin的半经验半解析模型描述，也证实了Gandin模型是一个较为普适的模型；.(4) 在竞争生长的研究中，结果表明错配角度越大，枝晶反而更加迅速的将海藻晶竞争掉，这挑战了经典的Walton-Chalmers模型，研究结果证实，溶质分布导致的成分过冷分布的变化是导致这一结果的主要原因。发现包晶反应总是首先出现在枝晶根部，然后逐渐向尖端推移，包晶出现位置决定于等温线的位置和尖端过冷的情况。此外，三维模拟结果表明高阶各向异性在实际计算中是不可忽略的。